Chất bán dẫn nguyên chất và chất bán dẫn tạp chất

CHẤT BÁN DẪN NGUYÊN CHẤT VÀ CHẤT BÁN DẪN TẠP CHẤT

1. Chất bán dẫn nguyên chất (chất bán dẫn thuần)
Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Si (14) và Ge (32), chúng có đặc điểm chung là ở lớp ngoài cùng đều có bốn điện tử hoá trị. Ta xét nguyên tử Si trong mạng tinh thể.

 

Khi vật liệu Si được chế tạo thành tinh thể thì từ trạng thái xắp xếp lộn xộn chúng trở thành trạng thái hoàn toàn trật tự. Khi đó khoảng cách giữa các nguyên tử cách đều nhau.
- Bốn điện tử lớp ngoài cùng của một nguyên tử không những chịu sự ràng buộc với hạt nhân của chính nguyên tử đó mà còn liên kết với bốn nguyên tử đứng cạnh nó, hai nguyên tử đứng cạnh nhau có một cặp điện tử góp chung.
- Mỗi một điện tử trong đôi góp chung vừa chuyển động xung quanh hạt nhân của nó vừa chuyển động trên quỹ đạo của điện tử góp chung. Sự liên kết này đƣợc gọi là liên kết đồng hoá trị.
Ở nhiệt độ xác định, do chuyển động nhiệt, một số điện tử góp chung dễ dàng tách khỏi mối liên kết với hạt nhân để trở thành các điện tử tự do, đó là hạt dẫn điện tử.
- Khi một điện tử tách ra trở thành điện tử tự do thì để lại một liên kết bị khuyết (lỗ trống). Khi đó các điện tử góp chung ở đôi kề cạnh dễ dàng bị rơi vào lỗ trống đó tạo thành sự di chuyển của các điện tử góp chung. Sự di chuyển này giống nhƣ sự di chuyển của các điện tích dƣơng, đó là sự di chuyển của lỗ trống.
Nhƣ vậy, lỗ trống cũng là loại hạt mang điện. Khi đặt một điện trƣờng lên vật liệu bán dẫn thì xuất hiện hai thành phần dòng điện chạy qua nó: thành phần dòng điện do các điện tử tự do chuyển động có hƣớng và thành phần dòng điện lỗ trống do điện tử góp chung dịch lấp lỗ trống. Điện tử tự do mang điện âm, lỗ trống mang điện dương.
Các điện tử chuyển động ngƣợc chiều với véc tơ cƣờng độ điện trƣờng còn các lỗ trống thì chuyển động cùng chiều tạo nên dòng điện trong chất bán dẫn.
* Như vậy: Bán dẫn mà dẫn xuất đƣợc thực hiện bằng cả hai loại hạt mang điện (điện tử tự do và lỗ trống) có số lƣợng bằng nhau đƣợc gọi là chất bán dẫn thuần (bán dẫn nguyên chất).
2. Chất bán dẫn tạp chất
Để nâng cao tính dẫn điện trong vật liệu bán dẫn, ta thực hiện pha thêm tạp chất vào chất bán dẫn nguyên chất, gọi là chất bán dẫn tạp.
2.1. Chất bán dẫn tạp loại P
Ta pha thêm tạp chất là những nguyên tố thuộc nhóm III trong bảng tuần hoàn (Ga, In…) vào trong mạng tinh thể của nguyên tử Si. Khi đó trong mạng tinh thể, một số nguyên tử Ga sẽ thay thế vị trí một số nguyên tử Si, ba điện tử hoá trị của Ga sẽ tham gia vào ba mối liên kết với ba nguyên tử Si bên cạnh, còn mối liên kết với nguyên tử Si thứ tƣ bị thiếu một điện tử đƣợc coi nhƣ một lỗ trống. Các mối liên kết bị thiếu một điện tử này dễ dàng đƣợc lấp đầy bởi một điện tử đƣợc bắn ra từ các mối liên kết bên cạnh bị phá vỡ, nhƣ vậy lỗ trống có thể di chuyển đƣợc, tạo thành dòng điện.

 

- Khi nhiệt độ tăng lên số mối liên kết bị phá vỡ càng nhiều làm cho số lƣợng điện tử tự do và lỗ trỗng tăng. Nhƣng ở bán dẫn có pha thêm các tạp chất thuộc nhóm III thì số lƣợng các lỗ trống bao giờ cũng lớn hơn số lƣợng các điện tử tự do.
* Như vậy: Vật liệu bán dẫn mà dẫn xuất được thực hiện chủ yếu bằng các lỗ trống gọi là chất bán dẫn tạp loại P. Lỗ trống gọi là hạt dẫn điện đa số. Điện tử tự do là hạt dẫn điện thiểu số.
2.2. Chất bán dẫn tạp loại N
Ta pha thêm các nguyên tố thuộc nhóm V trong bảng tuần hoàn (As, P…) vào trong cấu trúc mạng tinh thể của nguyên tử Si. Khi đó một số nguyên tử P sẽ thay thế một số vị trí nguyên tử Si trong mạng tinh thể.

 

Nguyên tử P có năm điện tử hoá trị, bốn trong năm điện tử hoá trị sẽ tham gia vào bốn mối liên kết với bốn nguyên tử Si đứng xung quanh nó, còn điện tử hoá trị thứ năm không tham gia vào mối liên kết nào mà chịu sự ràng buộc rất yếu với hạt nhân, chúng dễ dàng tách khỏi mối liên kết với hạt nhân để trở thành các điện tử tự do và sẽ tham gia vào việc vận chuyển dòng điện.
Khi nhiệt độ tăng lên, số mối liên kết bị phá vỡ càng tăng sinh ra nhiều cặp điện tử tự do - lỗ trống. Nhƣng ở chất bán dẫn pha thêm tạp chất thuộc nhóm V thì số lƣợng các điện tử tự do bao giờ cũng lớn hơn số lƣợng các lỗ trống.
* Như vậy, loại bán dẫn mà dẫn xuất được thực hiện chủ yếu bằng các điện tử tự do gọi là chất bán dẫn tạp loại N. Điện tử tự do là hạt dẫn đa số, lỗ trống là hạt dẫn thiểu số.

Liên Hệ Quảng Cáo

baner-qc

KẾT NỐI CỘNG ĐỒNG